Массовое заблуждение: реальная причина, по которой мы не можем превысить скорость света
Когда пытаются объяснить ограничения космической скорости, то часто путают массу с инерцией.
Теория относительности Эйнштейна – одна из самых поразительных теорий, когда-либо созданных. В ней движущиеся часы тикают медленнее, чем неподвижные, а расстояния сжимаются. Возможно, самым шокирующим следствием является то, что ничто не может двигаться быстрее света.
Последнее обстоятельство очень огорчает любителей космонавтики, поскольку оно сводит на нет их надежды на скоростное исследование космоса. Космос огромен, ближайшая звезда находится на расстоянии четырех световых лет. Даже простому радиосигналу, который распространяется с максимально возможной скоростью, потребуется восемь лет, чтобы совершить путешествие туда и обратно.
Идея о том, что существует максимальная скорость, довольно нелогична; в конце концов, в повседневной жизни вы можете заставить автомобиль ехать быстрее, просто нажав на педаль газа посильнее или пересесть на спортивный автомобиль. В случае с космическим кораблем ведь можно позволить двигателям работать подольше, чтобы разогнаться посильнее. Так почему же тогда мы не можем двигаться быстрее скорости света?
Космический предел скорости
Если вы читали что-нибудь о теории специальной относительности Эйнштейна, вы, вероятно, знаете, что масса объекта увеличивается с ростом его скорости. И это вроде бы удовлетворительный и логичный ответ. Более массивные объекты труднее толкать, поэтому, если масса объекта становится тяжелее, вам приходится прилагать больше усилий, чтобы двигаться быстрее. А если масса объекта станет бесконечной при скорости света, то потребуется бесконечное количество энергии, чтобы толкать его еще быстрее. Вуаля! Вот и ответ на вопрос.
Хотя этот ответ удовлетворителен и логически понятен, он в такой же степени и неверен – по крайней мере, в деталях.
Но мы не хотим сказать, что теория относительности Эйнштейна неверна. Теория действительно утверждает, что объект с ненулевой массой не может двигаться со скоростью света, и даже безмассовые объекты не могут двигаться быстрее света.
И дело не в том, что утверждение о максимальной скорости неверно; дело в том, что неверно само объяснение.
Масса против инерции
Проблема возникает потому, что мы смешиваем две идеи: массу и инерцию. Инерция – это свойство, которое противостоит изменениям в движении. Просто на низких скоростях инерция и масса – это одно и то же. Но на высоких скоростях всё меняется.
Это легче всего увидеть с помощью уравнений, поэтому я набросаю их здесь, но если вы не любитель математики, я буду использовать их очень дозированно.
скорость света
Все видели самое известное уравнение Эйнштейна, E = mc², где E – энергия, m – масса, а c – скорость света. Если воспринимать его буквально, то оно гласит, что энергия равна массе, умноженной на константу. Однако на самом деле это уравнение является частным случаем. Полностью правильное уравнение выглядит так: E = γmc², где γ – множитель, который встречается практически во всех уравнениях относительности. Коэффициент γ связан со скоростью и увеличивается с ее ростом. При нулевой скорости γ равен единице, тогда как по мере приближения к скорости света γ приближается к бесконечности. Меняется именно этот параметр γ, а не масса. Масса постоянна.
Поскольку теорию относительности ученикам понять трудно, учителя физики придумали педагогическую концепцию под названием “релятивистская (относительная) масса”. Релятивистская масса – это просто масса, умноженная на γ. Затем релятивистскую массу можно подставить в знаменитое уравнение Эйнштейна, и оно примет привычный вид. Релятивистскую массу можно использовать и для многих других уравнений, которые изучаются на вводном курсе физики. По сути, замена массы на релятивистскую массу облегчает студентам изучение теории, а также дает красивую и логически понятную картину происходящего, что имеет приятное следствие – студентам легче принять все релятивистские странности. Релятивистская масса – это идея, удобная для студентов, но она не реальна.
Заметьте, указывая на это, я не критикую учителей физики. Я сам преподавал эту немного неправильную идею. Подобно тому, как врач может назначить лекарство, которое имеет побочный эффект, но польза от него больше, чем вред, преподаватели физики должны соизмерять ценность ознакомления студентов с теорией относительности с тем, что последствия этого заблуждения относительно невелики.
Ну, а студенты, которые потом начнут изучать физику более основательно, поймут более глубокое и правильное объяснение.
Итак, каковы последствия этого заблуждения? По сути, масса или релятивистская масса, какая разница? Но это важно, потому что масса – это не только величина, которая сопротивляется движению, но и величина, которая порождает гравитацию. Поэтому многие студенты думают, что гравитационное поле вокруг быстро движущегося объекта увеличивается. Это имело бы смысл, если бы масса действительно увеличивалась. Но она постоянна.
Заблуждение относительно массы иллюстрирует реальную проблему при попытке объяснить глубокую научную концепцию с помощью компромиссов; мотивированный мыслитель примет компромисс за истину и будет продвигаться вперед, часто делая совершенно разумный, но неверный вывод. Разумный вывод вытекает из того, чему его учили, но он неверен, потому что компромисс был не совсем точным. К сожалению, глубокое погружение ничем не заменить.
Поэтому, если вы один из тех мотивированных мыслителей, которые думали, что быстро движущийся объект имеет большую массу и большую гравитационную силу, то от имени учителей физики всего мира я хотел бы извиниться. Масса не увеличивается со скоростью. Увеличивается инерция. Хорошо то, что многие важные следствия теории относительности – и, прежде всего, вывод о том, что ничто не может двигаться быстрее света – остаются верными.
Ключевой вывод – помимо того, что инерция увеличивается со скоростью, а масса остается неизменной – заключается в том, что умных людей легко ввести в заблуждение упрощенными объяснениями сложных проблем. Таким образом, если вам кажется, что вы нашли что-то, что профессиональное научное сообщество упустило из виду, возможно, это потому, что вы знакомы с истиной лишь частично.
Доктор Дон Линкольн — старший научный сотрудник Fermilab, ведущей американской лаборатории физики элементарных частиц.
